半导体器件物理学  080902M04003H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:许军
授课时间: 星期一,第10、11、12 节
授课地点: 教一楼405
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
授课时间: 星期四,第10、11、12 节
授课地点: 教一楼405
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 080902M04003H 课时: 80 学分: 5.00
课程属性: 专业核心课 主讲教师:许军 助教:
英文名称: Physics of Semiconductor Devices 召集人:

教学目的、要求

本课程介绍现代超大规模集成电路中几种主要的有源半导体器件,包括半导体二极管(PN结),双极型晶体管(BJT),金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的基本知识。教学目标是要求学生掌握现代集成电路中最常用的几种半导体器件的物理原理和分析方法,以及采用计算机进行模拟分析的各种器件物理模型,并能够根据具体要求设计相关的半导体器件。

预修课程

高等数学、普通物理

教 材

Chenming Hu,“Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits”, 1st Edition, 2012.
Yuan Taur, “Fundamentals of Modern VLSI Devices”, 2nd Edition, 2010.

主要内容

第一章	半导体的能带与载流子
本章主要介绍半导体器件物理中的一些基本概念、名词术语和物理原理,包括:(1)能带理论、两种载流子(电子和空穴)以及如何通过掺杂来控制半导体中载流子的浓度;(2)费米分布函数、费米能级以及载流子浓度与费米能级之间的关系;(3)一些重要的计算公式和典型的物理参数。
第二章	载流子的产生-复合及其输运特性
本章学习要点包括:(1)理解并掌握半导体中的载流子在电场或浓度梯度作用下的运动规律,包括:漂移电流、扩散电流、爱因斯坦关系以及电流输运方程;(2)熟悉半导体中载流子的产生与复合现象,掌握其对于恢复半导体中热平衡状态所起到的本质作用;(3)掌握一些重要的基本概念(例如迁移率)、计算公式和典型的物理参数。
第三章	半导体器件制造技术简介
本章学习要点包括:(1)理解并掌握半导体器件制造过程中所用到的主要工艺技术及其基本原理,包括:光刻和刻蚀,离子注入和扩散,氧化和薄膜淀积等;(2)熟悉半导体器件与集成电路的工艺制造流程,掌握其设计要点,并能够根据实际半导体器件制造的需求设计简单的工艺制造流程;(3)了解集成电路封装及测试的基本要求,懂得IDM、Foundry和Design House的区别。
第四章	PN结与金属-半导体结
本章学习要点包括:(1)理解并熟练掌握PN结的组成结构和基本工作原理,包括耗尽层近似、PN结少子注入及二极管正向与反向I-V特性等;(2)熟悉金属与半导体之间形成欧姆接触和肖特基结的条件,掌握肖特基结的I-V特性,了解二者的主要应用领域;(3)掌握太阳能电池和发光二极管的基本结构和工作原理,了解光电探测器和半导体激光器等光电器件的原理和应用。
第五章	MOS结构与MOS电容
本章学习要点为:建立对MOS结构和MOS电容的认识,深刻理解并牢固掌握MOS结构中的一些基本概念,包括:(1)表面积累、耗尽与反型;(2)MOS电容的C-V特性、平带电压与阈值电压;(3)多晶硅栅耗尽、反型层厚度以及界面态效应;(4)了解两种常见的MOS结构摄像器件(CCD器件与CMOS摄像器件)的工作原理。
第六章	MOS场效应晶体管
本章学习要点为:建立对MOSFET结构和工作原理的认识,理解MOSFET处于导通状态的一些基本特性,重点掌握:(1)长沟道和短沟道MOS晶体管的I-V特性、漏端夹断与载流子速度饱和效应、载流子表面迁移率受电场的影响以及阈值电压Vt的衬偏效应;(2)CMOS电路的基本原理及其速度、功耗、电压增益、频率特性和噪声的影响因素;(3)DRAM、SRAM以及Flash等MOS存储器的工作原理。
第七章	MOS器件的小尺寸效应与等比例缩小原理
本章主要讨论集成电路中MOS器件的等比例缩小原理,作为对上一章内容的补充,重点介绍了MOS器件处于关断状态的一些基本特性,需要理解并重点掌握:(1)MOS器件的关态漏电及其主要来源;(2)短沟道MOS器件Vt的下降现象及其原因;(3)改进小尺寸MOS器件性能的主要技术途径;(4)MOSFET的器件模拟与工艺模拟方法;(5)用于电路分析与优化设计的小尺寸MOS器件集约模型。
第八章	双极型晶体管工作原理
本章主要介绍双极型晶体管的工作原理,需要着重理解并掌握:(1)双极型晶体管的输出电流-电压特性、电流放大倍数(电流增益)和输出电导;(2)双极型晶体管的大注入效应和发射区重掺杂引起的禁带宽度变窄效应;(3)双极型晶体管的电流增益截止频率、渡越时间;(4)SiGe异质结双极型晶体管的特点和优势;(5)双极型晶体管的几种集约模型及其应用领域。
第九章	CMOS器件的优化设计
本章从器件结构、偏置条件设置、关键参数选取以及短沟道效应控制等多个不同角度讨论了CMOS器件的优化设计理论和设计方法,分别针对“高性能”和“低功耗”两种设计目标,重点分析了CMOS器件关键参数的设计域,同时还分析了载流子速度饱和效应、温度效应、量子化效应以及各种寄生参量对CMOS器件性能的影响,最后结合CMOS器件设计实例,介绍了几种有代表性的纳米尺度CMOS器件结构。
第十章	双极型器件的优化设计
本章从器件结构、偏置条件设置、关键参数选取等不同角度讨论了双极型晶体管的优化设计理论和设计方法,分析了大注入引起的基区宽度扩展效应对双极型晶体管高频性能的影响,同时结合SiGe HBT器件介绍了能带工程在双极型晶体管优化设计工作中的应用,最后对比了CMOS器件与双极型器件各自的优缺点,并简要介绍了将二者结合形成的BiCMOS器件结构及其特性。
第十一章	  其它特殊的半导体器件简介
本章学习要点主要包括:(1)LDMOS、VDMOS等高压大功率半导体器件的基本原理和优化设计;(2)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的结构、原理及电流-电压特性;(3)绝缘层上硅(SOI)器件与集成电路;(4)电荷耦合器件(CCD)的原理与应用;(5)薄膜晶体管(TFT)的原理与应用。

概括而言,前三章(第一章、第二章和第三章)是本课程的基础部分,中间五章(第四章、第五章、第六章、第七章和第八章)是本课程的核心内容和重点所在,最后三章(第九章、第十章和第十一章)是本课程的提高部分和应用延伸。

参考文献

Michael Shur, “Physics of Semiconductor Devices”,
S. M. Sze, “Physics of Semiconductor Devices”,
Ben G. Streetman, “Solid State Electronic Device”, 6th Edition, 2006.
R.S. Muller,“Device Electronics for Integrated Circuits”,3rd Edition, 2003.